纳米材料的变形机制(简).ppt

纳米材料的变形机制 江苏大学 材料科学与工程学院 郑陈超 * 纳米晶体材料的缺陷 缺陷对于研究材料的变形有着重要的作用。 纳米材料就其结构特征来说, 平移周期遭到了很大的破坏, 它偏离理想晶格的区域很大, 这是因为纳米材料的界面原子排列比较混乱, 其体积百分数比常规多晶材料大得多,即使纳米材料之晶粒组元的结构基本与常规晶体相似, 但由于尺寸很小, 大的表面张力使晶格常数减小, 故纳米材料实际上是缺陷密度较高的一种材料。 晶粒尺寸越小晶界在晶体中所占份数就越大。例如纳米晶金属材料,当晶粒尺寸在5 nm时,晶界占晶体体积的50%左右,单位晶体体积中晶界数目可达1019个/ cm3。 但是, 纳米材料的缺陷种类、缺陷行为和组态、缺陷运动规律是否与常规晶态的一样? 对于常规晶体建立起来的缺陷理论对描述纳米材料是否还适用? 纳米材料中是否存在常规晶体中从未观察到的新缺陷? 哪一种缺陷对材料的力学性质起主导作用? 诸多此类问题至今尚未得出明确结论, 是亟待进行理论研究与实验探索的重要课题。 利用表面机械研磨处理( SMAT)在纯铜表面制备出纳米结构表层, 并对其表面进行了电镀镍处理, 采用扫描电子显微镜分析了镍原子在纳米晶铜中的扩散行为。 结果表明: 表面纳米晶层内存在有大量非平衡态缺陷和晶界, 尤其是三叉晶界数量增加, 降低了镍原子扩散的激活能, 提高了其扩散系数, 从而加快了镍原子的扩散。 1.当晶粒尺寸在几个到几十个纳米范围内时, 三叉晶界在晶界区域中占据一定的分数, 由于三叉结点处有很高的自由体积能, 所以三叉晶界上的原子比普通晶界处的原子更容易移动。 2.纳米晶中大量的晶界(特别是三叉晶界)中存在着大量的空隙, 这是在纳米晶制备的过程中, 或者是由于相邻晶粒间(因为尺寸小)匹配程度差造成的。 3.在纳米晶中大量存在的晶界中, 还包含有各种缺陷(例如位错、空位), 因此在晶界上储存有过量的能量,晶界上的空位形成能和空位迁移能比较小; 并且晶界上因为晶界弛豫, 其原子密度相对较低, 晶界上原子间距增大。 纳米晶体材料的变形机制 高浓度空位 非常规位错 纳米晶体材料的变形机制-高浓度空位 一些观点认为: 1.纳米材料中存在大量的点缺陷,纳米材料中点缺陷很可能就是最主要的基本缺陷。 2.认为晶界是纳米材料的基本构成而不是一种缺陷。 此观点的基础是, 从理论上分析,纳米材料中很可能是无位错的( dislocation free) , 有时位错增殖的临界切应力c 与Frank- Read 源的尺度成反比。一般来说, F- R 源的尺度远小于晶粒尺寸, 而纳米材料中, 晶粒尺寸十分小, 如果在纳米微粒中存在F- R 源的话, 其尺寸就会更小。这样开动F- R 源的临界切应力就非常大, 粗略估计比常规晶体大几个数量级。这样大的临界切应力一般很难达到, 因此位错增殖在纳米晶内不会发生, 所以在纳米晶体中很可能没有位错, 即使有位错, 位错密度也是很小的。 该观点认为，纳米晶体材料的塑性变形过程不是位错的移动。发生新的变形机制的一般要求是, 存在接近于极限应力的极高的内部压力。 发现空位或者空位团( vacancy clusters) 的大小、浓度都对金属薄膜的变形有一定的影响。 使用嵌入原子法( EAM) 研究包含高浓度空位的Au 的塑性变形, 同时计算晶体的电镜图像发现, 随机分配的空位或者空位团并不能引起晶格点阵的大的变形, 除非空位或空位团的浓度超过一定的百分比 。 研究也证明, 在纳米金属晶体的高速塑性变形中有一定数量的空位或者空位团, 而没有位错运动的迹象。 传统粗晶材料的塑性变形是由起源于晶粒的位错引起的, 变形导致残余位错积累。研究电积纳米镍变形过程中的x 衍射峰宽的变化,发现在变形后卸载时衍射峰宽变化是可逆的, 但是变形的过程中没有建立残余位错网络, 从而预示变形过程并未造成残余位错堆积以及加工硬化过程。 堆垛层错四面体(stacking fault tetrahedra , SFT)与SFT 墙 Frenkel 位错圈,属于空位型位错圈 孔洞 单空位缺陷模型石墨纳米带的超原胞优化结构图?? 双空位缺陷模型扶手椅型石墨纳米带的超原胞优化结构 研究纳米结构金属的空位形成能计算方法, 通过引入形状因子, 并考虑晶粒尺寸效应, 计算了面心立方( fcc) 、体心立方( bcc) 和密排六方( hcp) 结构纳米金属的空位形成能. 结果表明, 纳米结构金属的空位形成能随着晶粒尺寸的减小而下降; 晶粒尺寸不变时